Енергетичні зони в кристалах

Згідно з теорією Ніла Бора про атомну структуру, всі атоми мають дискретні енергетичні рівні навколо центрального ядра (більше про це можна прочитати в статті “Енергетичні рівні атома”). Тепер розглянемо випадок, коли два або більше таких атомів розташовані дуже близько один до одного. У цьому випадку структура їх дискретних енергетичних рівнів перетворюється на енергетичну зону. Тобто замість дискретних енергетичних рівнів, можна спостерігати дискретні енергетичні зони. Причина формування таких енергетичних зон у кристалах полягає у взаємодії між атомами, яка є результатом електромагнітних сил, що діють між ними.
Рисунок 1 показує типовий розподіл таких енергетичних зон. Тут енергетична зона 1 може бути аналогічна енергетичному рівню E1 ізольованого атома, а енергетична зона 2 - до рівня E2 і так далі.

Це еквівалентне тому, що електрони, розташовані ближче до ядра взаємодіючих атомів, утворюють енергетичну зону 1, тоді як ті, що знаходяться у відповідних зовнішніх орбітах, призводять до вищих енергетичних зон.

Насправді, кожна з цих зон складається з численних енергетичних рівнів, які розташовані дуже близько одне до одного.

З рисунка видно, що кількість енергетичних рівнів, що з'являються в певній енергетичній зоні, зростає зі зростанням розглядуваної енергетичної зони, тобто третя енергетична зона ширша за другу, яка, з свою чергу, ширша, ніж перша. Простір між кожною з цих зон називається забороненою зоною або зонним проміжком (Рисунок 1). Крім того, всі електрони, присутні в кристалі, обов'язково повинні знаходитися в одній з енергетичних зон. Це означає, що електрони не можуть бути знайдені в регіоні зонного проміжку.

Типи енергетичних зон

Енергетичні зони в кристалі можуть бути різних типів. Деякі з них будуть повністю порожніми, через що їх називають порожніми енергетичними зонами, тоді як інші будуть повністю заповнені і отже називаються заповненими енергетичними зонами. Зазвичай, заповнені енергетичні зони будуть нижчими енергетичними рівнями, які розташовані ближче до ядра атома і не мають вільних електронів, що означає, що вони не можуть брати участь у провідності. Також існують ще одна група енергетичних зон, які можуть бути комбінацією порожніх і заповнених енергетичних зон, і називаються змішаними енергетичними зонами.
Проте, у сфері електроніки особливо цікавить механізм провідності. В результаті, тут дві енергетичні зони набувають надзвичайної важливості. Це

Зони валентності

Ця енергетична зона складається з валентних електронів (електронів у найзовнішній орбіті атома) і може бути повністю або частково заповнена. При кімнатній температурі це найвища енергетична зона, яка містить електрони.

Провідна зона

Нижчий енергетичний рівень, який зазвичай не зайнятий електронами при кімнатній температурі, називається провідною зоною. Ця енергетична зона складається з електронів, які вільні від притягального сили ядра атома.
Загалом, зона валентності - це зона з нижчою енергією в порівнянні з провідною зоною, і тому вона розташована нижче провідної зони на діаграмі енергетичних зон (Рисунок 2). Електрони в зоні валентності слабо зв'язані з ядром атома і переходить у провідну зону, коли матеріал збуджується (наприклад, термічно).

Важливість енергетичних зон

Відомо, що провідність матеріалів здійснюється лише завдяки вільним електронам, які в них присутні. Цей факт можна перефразувати з точки зору теорії енергетичних зон як "лише електрони, присутні в провідній зоні, вносять вклад у механізм провідності". В результаті, можна класифікувати матеріали на різні категорії, дивлячись на їхню діаграму енергетичних зон.
Наприклад, якщо діаграма енергетичних зон показує значне перекриття між зонами валентності і провідною зоною (Рисунок 3а), то це означає, що матеріал має багато вільних електронів, завдяки чому його можна вважати добре провідником електричного струму, тобто металом.

З іншого боку, якщо ми маємо енергетичну зону на діаграмі, де є велика пропаст між зонами валентності і провідною зоною (Рисунок 3б), це означає, що потрібно надати матеріалу велику кількість енергії, щоб отримати заповнену провідну зону. Іноді це може бути складно або навіть практично неможливо. Це залишить провідну зону без електронів, завдяки чому матеріал не зможе проводити струм. Таким чином, такі матеріали будуть діелектриками.
Зараз, давайте припустимо, що у нас є матеріал, який показує незначну розділеність між зонами валентності і провідною зоною, як показано на Рисунку 3с. У цьому випадку, можна пересилити електрони з зони валентності в провідну зону, надавши невелику кількість енергії. Це означає, що хоча такі матеріали зазвичай є діелектриками, їх можна перетворити на провідники, збуджуючи їх зовні. Тому такі матеріали називаються півпровідниками.

Заява: Поважайте оригінал, добрих статей варті поширення, якщо є порушення авторських прав, зверніться для видалення.